頻控陣?yán)走_(dá)：概念、原理與應(yīng)用

王文欽 邵懷宗 陳 慧

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頻控陣?yán)走_(dá)：概念、原理與應(yīng)用

王文欽*邵懷宗 陳 慧

(電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院 成都 611731)

頻控陣?yán)走_(dá)是近年來(lái)提出的一種新體制陣列雷達(dá)技術(shù)，它能夠形成具有距離依賴性的發(fā)射波束，克服了傳統(tǒng)相控陣?yán)走_(dá)不能有效控制發(fā)射波束的距離指向問(wèn)題，并具有很多獨(dú)特的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。該文系統(tǒng)地介紹頻控陣?yán)走_(dá)的概念、原理和應(yīng)用特點(diǎn)，全面梳理國(guó)內(nèi)外關(guān)于頻控陣?yán)走_(dá)技術(shù)的研究文獻(xiàn)，系統(tǒng)性地總結(jié)歸納頻控陣概念、基本原理及其雷達(dá)應(yīng)用特點(diǎn)等幾個(gè)方面的研究現(xiàn)狀，并分析頻控陣?yán)走_(dá)未來(lái)的應(yīng)用前景和亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

頻控陣；頻控陣?yán)走_(dá)；陣列設(shè)計(jì)；相控陣；新體制雷達(dá)

1 引言

相控陣?yán)走_(dá)的優(yōu)勢(shì)之一在于可自由地實(shí)現(xiàn)波束的空間掃描，因而廣泛地應(yīng)用于雷達(dá)目標(biāo)檢測(cè)與成像應(yīng)用。通常相控陣?yán)走_(dá)每個(gè)陣元發(fā)射的是同一信號(hào)，通過(guò)在每個(gè)陣元的輸出端接入移相器進(jìn)行波束方向控制，調(diào)整移相器的相移量便可實(shí)現(xiàn)波束的空域掃描。此外，還可以通過(guò)改變雷達(dá)系統(tǒng)的工作頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)波束掃描，即頻率掃描天線。然而，相控陣和頻率掃描天線都存在一個(gè)缺點(diǎn)[1]：在每一掃描快拍內(nèi)，波束指向在距離向是恒定的，也就是說(shuō)波束指向與距離是無(wú)關(guān)的。但是在某些應(yīng)用中，例如距離相關(guān)性干擾或雜波抑制應(yīng)用，常常又期望陣列波束在同一快拍內(nèi)能夠以相同的角度指向不同的距離，這就需要波束的指向能夠隨距離的變化而變化。

2006年，文獻(xiàn)[2]首次提出FDA(Frequency Diverse Array)雷達(dá)概念，并申請(qǐng)了美國(guó)專利[3]。FDA直譯應(yīng)為頻率復(fù)用陣列，但筆者認(rèn)為這種新體制雷達(dá)從其工作原理上講譯作頻控陣更為妥當(dāng)。這是因?yàn)轭l控陣和相控陣?yán)走_(dá)一樣發(fā)射相參信號(hào)，只是經(jīng)過(guò)附加很小的頻偏(頻偏遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其載頻)控制后輻射出去的信號(hào)頻率中心有所偏移，但其主要頻率成分是重疊的，這與OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)[4]和MIMO(Multiple-Input Mltiple-Output)所要求的頻率正交性要求是不同的。表1比較頻控陣技術(shù)與幾種典型的陣列技術(shù)的特點(diǎn)?？梢姡l控陣和相控陣具有相似的物理特性，可以將頻控陣看作是相控陣的一種擴(kuò)展，而相控陣是頻控陣的一種特例，所以本文稱這種新體制雷達(dá)為頻控陣?yán)走_(dá)[5]。

由于這種陣列天線具有距離依賴性方向圖，該概念一經(jīng)提出便在美國(guó)國(guó)防研究機(jī)構(gòu)中引起廣泛關(guān)注[6,7]。近年來(lái)，國(guó)際期刊和會(huì)議上也涌現(xiàn)出了不少頻控陣?yán)走_(dá)方面的相關(guān)研究論文，從不同角度和應(yīng)用背景研究了相關(guān)的理論與方法，推動(dòng)著頻控陣?yán)走_(dá)技術(shù)向前發(fā)展[8]。本文系統(tǒng)地介紹頻控陣?yán)走_(dá)的原

表1 頻控陣與幾種典型的陣列的技術(shù)特點(diǎn)比較

理、特點(diǎn)和應(yīng)用潛力，全面梳理國(guó)內(nèi)外關(guān)于頻控陣?yán)走_(dá)技術(shù)的研究文獻(xiàn)，系統(tǒng)性地總結(jié)頻控陣?yán)走_(dá)的基本原理、實(shí)現(xiàn)方式和應(yīng)用研究等方面的研究現(xiàn)狀，并分析其未來(lái)的應(yīng)用前景和亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

本文的結(jié)構(gòu)安排如下：第2節(jié)介紹頻控陣?yán)走_(dá)的基本原理和基本特點(diǎn)；第3節(jié)討論頻控陣?yán)走_(dá)的研究現(xiàn)狀；第4節(jié)和第5節(jié)分別討論頻控陣?yán)走_(dá)的應(yīng)用前景、發(fā)展趨勢(shì)和亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題；第6節(jié)總結(jié)全文。

2 頻控陣?yán)走_(dá)的基本原理

2.1 頻控陣?yán)走_(dá)的基本概念

如圖1所示，頻控陣?yán)走_(dá)在相鄰陣元上對(duì)發(fā)射信號(hào)附加一個(gè)遠(yuǎn)小于雷達(dá)工作載頻的頻率增量，即第1個(gè)陣元的輻射頻率為，而第個(gè)陣元的輻射信號(hào)頻率為

圖1 頻控陣?yán)走_(dá)的發(fā)射陣列示意圖

由式(2)可見，頻控陣?yán)走_(dá)具有以下特點(diǎn)[6,7,10]：(1)頻控陣?yán)走_(dá)與頻率掃描雷達(dá)是不同的：頻率掃描雷達(dá)的頻偏是在不同時(shí)間施加的，所有陣元在相同時(shí)刻的頻偏是相同的；而頻控陣?yán)走_(dá)是在同一時(shí)間對(duì)不同陣元施加不同的頻偏。(2)頻控陣?yán)走_(dá)的頻偏是另外附加的，而不是陣列本身發(fā)射正交多頻信號(hào)：頻控陣發(fā)射信號(hào)是與相控陣一樣的相參信號(hào)，只是經(jīng)過(guò)附加的頻偏控制后輻射出去的信號(hào)頻率不同。因此，頻控陣仍然屬于相控陣范疇，這點(diǎn)與發(fā)射不同載頻信號(hào)的OFDM雷達(dá)是不同的。(3)如圖2所示，頻控陣的陣列指向?qū)⑹芩虞d的頻偏影響。(4)當(dāng)頻偏固定時(shí)，波束指向隨頻偏變化而變化，即波束指向具有距離相關(guān)性；當(dāng)距離固定時(shí)，波束指向隨頻偏變化而變化，即波束指向具有頻偏相關(guān)性；當(dāng)頻偏時(shí)，頻控陣?yán)走_(dá)退化為相控陣?yán)走_(dá)。

2.2 頻控陣?yán)走_(dá)的主要特點(diǎn)

頻控陣的另一個(gè)主要特點(diǎn)是陣列因子具有周期性。由式(2)可知，其陣列方向圖的峰值將出現(xiàn)在

式(3)表明，當(dāng)一個(gè)參數(shù)固定時(shí)，非固定參數(shù)可有多組解；當(dāng)其中兩個(gè)參數(shù)固定時(shí)，第3個(gè)參數(shù)將有唯一解。例如，考慮，我們可得

2.3 頻控陣?yán)走_(dá)的幾種實(shí)現(xiàn)方式

為了避免發(fā)生目標(biāo)響應(yīng)的頻率去相關(guān)效應(yīng)，其頻偏應(yīng)該滿足[11]：

圖2 頻控陣?yán)走_(dá)的發(fā)射陣列示意圖 圖3 頻控陣與相控陣的陣列方向圖比較

目前有好幾種關(guān)于頻控陣?yán)走_(dá)的頻偏設(shè)置實(shí)現(xiàn)方式，但不同的實(shí)現(xiàn)方式具有不同的系統(tǒng)性能特點(diǎn)[12]。2008年，WICKS和ANTONIK[3]申請(qǐng)了一種基于混頻器步進(jìn)頻的頻控陣實(shí)現(xiàn)方法的技術(shù)發(fā)明專利，首先產(chǎn)生一個(gè)預(yù)設(shè)的頻率信號(hào)，該信號(hào)再分別與階躍頻率為的步進(jìn)頻信號(hào)進(jìn)行混頻，從而實(shí)現(xiàn)頻控陣的頻率配置。這種實(shí)現(xiàn)方案的最大缺點(diǎn)是混頻器的鏡像頻率和射頻與本振頻率的交調(diào)影響將導(dǎo)致陣列信號(hào)的頻譜純度較差，容易導(dǎo)致后續(xù)的信號(hào)處理出現(xiàn)目標(biāo)模糊問(wèn)題[13]。該專利還提出了另一種采用獨(dú)立本振源的實(shí)現(xiàn)方案，即每個(gè)陣元采用獨(dú)立的信號(hào)源。可以采用直接數(shù)字頻率合成器或可編程鎖相環(huán)來(lái)產(chǎn)生所需的各陣元波形，但需要考慮時(shí)鐘抖動(dòng)和相位噪聲的影響問(wèn)題。文獻(xiàn)[17]提出了另一種基于功分器的頻控陣實(shí)現(xiàn)方法。這種方案也有因混頻器引起的交調(diào)和鏡像頻率影響問(wèn)題，但它避免了本振源的時(shí)鐘抖動(dòng)和相位噪聲問(wèn)題。由于頻控陣輻射方向圖具有時(shí)變性，文獻(xiàn)[18]提出一種基于時(shí)間延遲線的頻控陣設(shè)計(jì)方法，具有良好信號(hào)頻譜純度，但其對(duì)模擬信號(hào)的高精度延遲控制難度較大。

3 頻控陣?yán)走_(dá)的研究現(xiàn)狀

在2006年的IEEE雷達(dá)學(xué)術(shù)年會(huì)上，ANTONIK等人[2]首次提出頻控陣?yán)走_(dá)概念，即一種波束指向與距離有關(guān)的雷達(dá)系統(tǒng)；并進(jìn)而提出一種多自由度(包括空間、時(shí)間、頻率、調(diào)制方式和波形)的多模式雷達(dá)[19]。隨著頻控陣?yán)走_(dá)的深入研究，涌現(xiàn)出大量研究文獻(xiàn)，并完成了數(shù)篇博士/碩士學(xué)位論文。當(dāng)前的研究現(xiàn)狀可歸納為以下幾個(gè)方面：

3.1 頻控陣的陣列特性分析

文獻(xiàn)[23-25]分析了頻控陣發(fā)射波束的距離依賴特性及其在距離模糊雜波抑制中的應(yīng)用，并有兩份美國(guó)專利[26,27]討論了頻控陣在增加雷達(dá)系統(tǒng)自由度方面的應(yīng)用潛力。文獻(xiàn)[17]分析了頻控陣輻射方向圖的時(shí)間和相位周期特性，文獻(xiàn)[28]分析了頻控陣天線的周期性波束掃描特性，并設(shè)計(jì)了一種廉價(jià)的頻控陣天線[25]。文獻(xiàn)[29]指出頻控陣發(fā)射波束會(huì)出現(xiàn)距離和方位角響應(yīng)的耦合問(wèn)題，進(jìn)而提出基于迭代最小均方的空間-距離自適應(yīng)處理算法和時(shí)間-距離自適應(yīng)處理算法[21]，用于解決頻控陣波束形成中的距離-相位耦合波束問(wèn)題。在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[30,31]研究了基于空間-時(shí)間-距離聯(lián)合處理的距離模糊抑制問(wèn)題。文獻(xiàn)[32]對(duì)頻控陣?yán)走_(dá)的多徑特性作了電磁學(xué)仿真分析，指出頻控陣?yán)走_(dá)能夠比相控陣?yán)走_(dá)分辨更多目標(biāo)。此外，文獻(xiàn)[33,34]也對(duì)頻控陣波束的距離依賴特性作了廣泛的仿真分析。

陣列流形模糊特性也是一個(gè)評(píng)估其目標(biāo)檢測(cè)與估計(jì)性能的重要技術(shù)指標(biāo)。陣列流形是陣元物理位置和陣列特性的函數(shù)，因此陣列結(jié)構(gòu)對(duì)陣列流形起決定性作用。文獻(xiàn)[38]研究了全向天線陣列的幾何結(jié)構(gòu)與目標(biāo)信號(hào)DOA(Direction-Of-Arrival)估計(jì)之間的關(guān)系。陣列流形的幾何特性也廣泛應(yīng)用于波束旁瓣比受限的陣列設(shè)計(jì)[39]和極化陣列設(shè)計(jì)[40]。文獻(xiàn)[41,42]通過(guò)分析陣列流形幾何參數(shù)，給出了陣列存在測(cè)向模糊的充分條件。這種“流形模糊”存在的主要原因是陣列流形存在線性相關(guān)的模糊集?；诖?，文獻(xiàn)[43,44]推導(dǎo)了頻控陣陣列流形的幾何特性，利用微分幾何方法分析了頻控陣的檢測(cè)和分辨能力，并采用基于均勻劃分陣列流形曲線的方式計(jì)算出頻控陣的模糊集。相對(duì)于相控陣，頻控陣具有更小的一階曲率，更高的檢測(cè)和分辨能力，以及更少的模糊生成集，即能夠無(wú)模糊地分辨更多的目標(biāo)。需要說(shuō)明的是，雖然利用均勻劃分陣列流形曲線的方法可以獲得模糊生成集，但是不能保證其包括所有的模糊生成集。此外，文獻(xiàn)[45]還分析頻控陣的雷達(dá)模糊函數(shù)特性。

3.2 頻控陣陣列優(yōu)化設(shè)計(jì)

頻控陣?yán)走_(dá)發(fā)射波束具有角度和距離依賴性，這為目標(biāo)參數(shù)聯(lián)合估計(jì)與定位應(yīng)用創(chuàng)造了條件，但需要回答一個(gè)基本的問(wèn)題：頻控陣?yán)走_(dá)能達(dá)到怎樣的參數(shù)估計(jì)性能？雖然CRLB(Cramer-Rao Lower Bound)廣泛用于分析各種陣列的參數(shù)估計(jì)性能，但現(xiàn)有文獻(xiàn)主要針對(duì)相控陣?yán)走_(dá)和MIMO雷達(dá)：文獻(xiàn)[46]推導(dǎo)了相控陣的距離(時(shí)間延遲)、速度(多普勒頻移)和方位角估計(jì)的CRLB；文獻(xiàn)[47]推導(dǎo)了針對(duì)共置天線和分置天線兩種MIMO雷達(dá)進(jìn)行目標(biāo)參數(shù)聯(lián)合估計(jì)的CRLB；文獻(xiàn)[48]分析了非相干MIMO雷達(dá)對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的估計(jì)能力。為此，文獻(xiàn)[49]分別考慮匹配濾波前后的兩種信號(hào)模型，推導(dǎo)出頻控陣?yán)走_(dá)估計(jì)目標(biāo)方位角、距離和多普勒頻移的CRLB表達(dá)式，其理論分析和仿真結(jié)果均表明頻控陣在方位角和距離向是存在耦合的。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，文獻(xiàn)[50,51]研究了基于時(shí)變或?qū)?shù)頻偏的頻控陣距離和方位角去耦方法，但這種方法會(huì)惡化陣列的目標(biāo)檢測(cè)與分辨性能。文獻(xiàn)[52]提出一種子陣列結(jié)構(gòu)，可解決頻控陣發(fā)射波束在距離向和方位角向之間存在的耦合問(wèn)題，但陣元位置和頻率增量的改變會(huì)直接影響目標(biāo)參數(shù)的估計(jì)性能[53,54]，非常有必要對(duì)陣列進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。陣列優(yōu)化主要包括陣列結(jié)構(gòu)和加權(quán)向量設(shè)計(jì)兩個(gè)方面。線性陣列的優(yōu)化多以降低旁瓣電平為目的，其中加權(quán)是最常用的方法；而非均勻線陣往往是通過(guò)陣元位置優(yōu)化來(lái)提高陣列孔徑性能，如最小冗余陣。雖然優(yōu)化布陣問(wèn)題一直是陣列信號(hào)處理研究中的熱點(diǎn)問(wèn)題，但頻控陣的優(yōu)化設(shè)計(jì)還沒有得到有效解決。

頻控陣陣列的優(yōu)化設(shè)計(jì)需要回答如下問(wèn)題：(1)對(duì)于相同孔徑的陣列，什么陣列結(jié)構(gòu)擁有最佳的角度估計(jì)精度；(2)針對(duì)同一陣列結(jié)構(gòu)，如何劃分子陣列，才能獲得最佳的目標(biāo)參數(shù)估計(jì)精度；(3)陣列優(yōu)化準(zhǔn)則的選取和優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)求解。為此，文獻(xiàn)[61]推導(dǎo)了任意個(gè)子孔徑-頻控陣?yán)走_(dá)進(jìn)行目標(biāo)方位角和距離估計(jì)的CRLB表達(dá)式，并以最小化CRLB為準(zhǔn)則，提出一種陣元頻率增量?jī)?yōu)化配置的設(shè)計(jì)方法，并提出基于罰函數(shù)和NELDER-MEAD算法[62]的優(yōu)化問(wèn)題求解方法，其仿真結(jié)果表明：對(duì)于相同孔徑的均勻線陣、中心對(duì)稱的線陣和最小冗余陣，均勻線陣具有最好的測(cè)向性能。但是，該文獻(xiàn)在優(yōu)化多個(gè)子陣(>3)時(shí)，只考慮了方位角估計(jì)CRLB的優(yōu)化，沒有同時(shí)考慮距離估計(jì)CRLB的優(yōu)化，所以在多代價(jià)函數(shù)的優(yōu)化方面還需要作進(jìn)一步研究，可以考慮使用近年來(lái)廣泛應(yīng)用的凸優(yōu)化技術(shù)。文獻(xiàn)[63]提出一種基于球函數(shù)[64]的發(fā)射波束形成方法，以期將發(fā)射信號(hào)能量集中指向我們所期望的距離或方位角觀測(cè)區(qū)域，但沒有考慮頻控陣波束的時(shí)變特性，所以文獻(xiàn)[65,66]在此基礎(chǔ)上作了進(jìn)一步研究。

此外，文獻(xiàn)[67]設(shè)計(jì)了一種針對(duì)頻控陣?yán)走_(dá)的接收機(jī)體系結(jié)構(gòu)；文獻(xiàn)[18]設(shè)計(jì)了一種適用于線性調(diào)頻連續(xù)波的頻控陣天線。文獻(xiàn)[68]提出一種針對(duì)頻控陣的接收波束形成方法，并應(yīng)用于解決空時(shí)信號(hào)處理中的距離模糊問(wèn)題；文獻(xiàn)[69]提出一種針對(duì)極化敏感頻控陣的多域?yàn)V波方法。

3.3 基于頻控陣的新體制雷達(dá)技術(shù)

文獻(xiàn)[20]首先將頻控陣應(yīng)用于雷達(dá)成像，其主要目的是利用頻率復(fù)用來(lái)增大方位向合成孔徑長(zhǎng)度，從而提高雷達(dá)成像時(shí)的方位向分辨率[70]。文獻(xiàn)[71]提出一種基于頻控陣的前視雷達(dá)地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)指示方法。文獻(xiàn)[72,73]提出一種基于頻控陣的雙站雷達(dá)系統(tǒng)，其主要應(yīng)用背景是低截獲電子偵察，并進(jìn)而提出基于頻控陣的MIMO雷達(dá)技術(shù)[9]，但該方法需要選擇一個(gè)合適的固定參考點(diǎn)來(lái)布局陣元位置。為了避免這個(gè)問(wèn)題，文獻(xiàn)[74]提出一種基于非均勻布陣的解決方法，并可應(yīng)用于雷達(dá)2維成像[75]。文獻(xiàn)[76]將頻控陣應(yīng)用于抑制分布式MIMO雷達(dá)發(fā)射-接收波束柵瓣的影響；文獻(xiàn)[77]提出一種結(jié)合頻控陣和MIMO雷達(dá)優(yōu)勢(shì)的Phased-MIMO雷達(dá)發(fā)射波束形成方法。

頻控陣在雷達(dá)中的一個(gè)重要應(yīng)用潛力是對(duì)目標(biāo)距離和方位角進(jìn)行2維聯(lián)合估計(jì)，但需要解決其波束形成中存在的距離-方位角耦合問(wèn)題。對(duì)此，文獻(xiàn)[78,79]分別提出基于雙脈沖的頻控陣?yán)走_(dá)目標(biāo)距離-方位角聯(lián)合估計(jì)方法，文獻(xiàn)[80,81]進(jìn)而提出基于頻控陣-MIMO雷達(dá)的距離和方位角聯(lián)合估計(jì)方法。同時(shí)，受近年來(lái)興起的認(rèn)知雷達(dá)研究熱潮影響，文獻(xiàn)[82,83]分別提出基于自適應(yīng)選擇和認(rèn)知選擇增量頻偏的認(rèn)知頻控陣?yán)走_(dá)技術(shù)概念。在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[84,85]分別提出具有環(huán)境感知和陷波認(rèn)知的新體制頻控陣?yán)走_(dá)技術(shù)。因?yàn)樯鲜鑫墨I(xiàn)都是將頻控陣用于雷達(dá)發(fā)射端，文獻(xiàn)[86,87]借鑒嵌套陣列(nested- array)技術(shù)[88]，提出基于延遲線的嵌套頻控陣接收機(jī)設(shè)計(jì)方法[89]，并對(duì)其目標(biāo)檢測(cè)和估計(jì)性能作了理論分析。

進(jìn)而，文獻(xiàn)[90]提出一種基于頻控陣的雷達(dá)射頻隱身方法，即借鑒無(wú)線通信中的擴(kuò)頻技術(shù)，通過(guò)展寬雷達(dá)發(fā)射波束寬度，降低其發(fā)射信號(hào)的峰值功率，從而降低雷達(dá)被截獲概率。此外，文獻(xiàn)[91]還提出一種基于頻控陣的無(wú)線保密通信方法，可在不降低通信誤碼率的前提下，大大降低通信信號(hào)被截獲破譯的概率。

4 頻控陣?yán)走_(dá)的應(yīng)用前景

如前所述，與相控陣波束不依賴距離參數(shù)特性不同，頻控陣最主要的特點(diǎn)便是其陣列方向圖具有距離依賴性，而且能夠有效地控制其發(fā)射波束的距離指向，所以頻控陣?yán)走_(dá)具有廣泛的應(yīng)用前景[9]。下面，本文簡(jiǎn)要介紹幾種可能的應(yīng)用方式。

4.1 頻控陣作發(fā)射機(jī)的新體制雙站雷達(dá)

為了解決頻控陣陣列方向圖存在的距離-相位角耦合問(wèn)題，我們可以采取非均勻布陣的頻控陣作發(fā)射機(jī)和均勻布陣的相控陣作接收機(jī)，如圖5所示。

圖 5 基于非均勻頻控陣發(fā)射機(jī)和均勻相控

陣接收機(jī)的雙站雷達(dá)示意圖非均勻頻控陣的陣元間距按式(7)設(shè)置：

4.2 基于頻控陣的認(rèn)知雷達(dá)

認(rèn)知雷達(dá)賦予雷達(dá)感知環(huán)境、理解環(huán)境、學(xué)習(xí)、推理并判斷決策的能力，使雷達(dá)系統(tǒng)能夠適應(yīng)日益復(fù)雜多變的電磁環(huán)境，從而提高雷達(dá)系統(tǒng)的性能。因此，認(rèn)知雷達(dá)一經(jīng)提出便在雷達(dá)系統(tǒng)研究領(lǐng)域的掀起新的研究熱潮，引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。將認(rèn)知雷達(dá)相關(guān)技術(shù)應(yīng)用于頻控陣?yán)走_(dá)，有望實(shí)現(xiàn)一種具有環(huán)境認(rèn)知的認(rèn)知頻控陣?yán)走_(dá)，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)雜波和干擾的自適應(yīng)抑制。

如圖7所示，我們通過(guò)自適應(yīng)更新調(diào)整頻控陣?yán)走_(dá)的頻率增加來(lái)最大化雷達(dá)接收機(jī)的輸出 SINR (Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio)，從而達(dá)到最佳的雷達(dá)雜波和干擾抑制效果。首先，我們采用一個(gè)初始頻率增量，計(jì)算相應(yīng)的接收機(jī)輸出SINR，并反饋SINR的變化情況給發(fā)射端。如果第次的SINR優(yōu)于前面次的SINR，則反饋信息，反之，則反饋信息，即[84]

然后，再根據(jù)SINR的比較結(jié)果來(lái)調(diào)整頻控陣?yán)走_(dá)發(fā)射機(jī)的頻率增量參數(shù)：

圖6 基于非均勻頻控陣發(fā)射機(jī)的雙站雷達(dá)陣列方向圖

圖7 基于頻率增量自適應(yīng)調(diào)整的認(rèn)知頻控陣?yán)走_(dá)信號(hào)處理原理框圖

經(jīng)過(guò)這種迭代處理，我們就可實(shí)現(xiàn)雷達(dá)雜波和干擾的抑制，從而提高雷達(dá)目標(biāo)檢測(cè)與跟蹤性能。

4.3 基于頻控陣的射頻隱身雷達(dá)

隨著雷達(dá)電子對(duì)抗技術(shù)的迅猛發(fā)展，現(xiàn)代雷達(dá)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境日趨復(fù)雜，以無(wú)源探測(cè)技術(shù)為代表的各種反雷達(dá)措施使得雷達(dá)的生存能力受到嚴(yán)峻威脅和挑戰(zhàn)。無(wú)源探測(cè)系統(tǒng)的最大探測(cè)距離可遠(yuǎn)大于雷達(dá)的有效作用距離。為了提高雷達(dá)的生存能力，除了利用雷達(dá)橫截面積減縮技術(shù)之外，射頻隱身技術(shù)也是一種十分有效的解決途徑。射頻隱身指雷達(dá)、數(shù)據(jù)鏈和敵我識(shí)別系統(tǒng)等電子設(shè)備對(duì)抗無(wú)源探測(cè)、跟蹤和識(shí)別的隱身技術(shù)，以降低無(wú)源探測(cè)系統(tǒng)的作用距離及跟蹤制導(dǎo)精度，從而提高雷達(dá)的突防能力、生存能力和作戰(zhàn)效能[105]。

近年來(lái)，已陸續(xù)有一些考慮雷達(dá)射頻隱身的研究文獻(xiàn)發(fā)表。文獻(xiàn)[106]提出一種基于相位編碼的雷達(dá)低截獲概率波束形成方法。文獻(xiàn)[107]提出在雷達(dá)跟蹤時(shí)考慮射頻隱身的采樣間隔和基于目標(biāo)距離及雷達(dá)截面積變化的最低輻射功率自適應(yīng)設(shè)計(jì)方法；文獻(xiàn)[105]還提出一種最小化能量消耗函數(shù)和最小化檢測(cè)概率誤差的雷達(dá)射頻隱身最優(yōu)搜索方法，并設(shè)計(jì)了一種功率分級(jí)準(zhǔn)則[108]，以實(shí)現(xiàn)最小化副瓣功率為目標(biāo)，通過(guò)改進(jìn)多目標(biāo)優(yōu)化粒子群算法對(duì)陣元的開關(guān)設(shè)置進(jìn)行優(yōu)化。文獻(xiàn)[109]建立了以檢測(cè)概率為準(zhǔn)則的探測(cè)優(yōu)化模型，提出兩種輻射能量控制策略下的最優(yōu)控制方案，并進(jìn)而將射頻隱身能力與發(fā)現(xiàn)目標(biāo)能力綜合考慮，建立多目標(biāo)優(yōu)化模型來(lái)配置雷達(dá)的工作參數(shù)。文獻(xiàn)[110]和文獻(xiàn)[111]提出一種基于資源管理的MIMO雷達(dá)搜索模式下的射頻隱身優(yōu)化算法，可自適應(yīng)地控制MIMO雷達(dá)執(zhí)行搜索任務(wù)時(shí)天線劃分的子陣數(shù)、信號(hào)占空比、波束駐留時(shí)間和搜索幀周期。文獻(xiàn)[112]提出一種基于噪聲調(diào)制的射頻隱身雷達(dá)波形設(shè)計(jì)方法。大多數(shù)射頻隱身技術(shù)都要求天線主瓣波束窄和旁瓣峰值低，這就要求采用陣列天線，但目前考慮射頻隱身的文獻(xiàn)大都以相控陣為研究對(duì)象。相控陣可靈活地實(shí)現(xiàn)波束的空間掃描，但其陣列方向圖場(chǎng)強(qiáng)分布與指向距離是無(wú)關(guān)的，只能實(shí)現(xiàn)陣列信號(hào)的定向而不是定點(diǎn)輻射，因而可以采用頻控陣來(lái)彌補(bǔ)這個(gè)缺點(diǎn)[113]。

借鑒LAWRENCE的低截獲概率相控陣方法[106]，我們可以通過(guò)對(duì)各陣元的頻偏進(jìn)行特殊編碼，使陣列瞬時(shí)輻射功率在距離-方位角2維空間盡可能均勻分布，并通過(guò)相位調(diào)制降低發(fā)射信號(hào)的被截獲解調(diào)概率，最后在接收端通過(guò)波束的相位解碼和接收波束形成，恢復(fù)綜合出高增益的發(fā)射陣列方向圖。文獻(xiàn)[113]已經(jīng)證明了這種研究方案的有效性(見圖8)，但需要進(jìn)一步研究收發(fā)陣列參數(shù)的優(yōu)化配置和旁瓣峰值電平的抑制問(wèn)題。

圖8 基于頻控陣的雷達(dá)射頻隱身波束形成比較結(jié)果

4.4 基于頻控陣的定向安全通信

傳統(tǒng)的無(wú)線通信發(fā)射機(jī)都是在基帶實(shí)現(xiàn)數(shù)字通信信息的調(diào)制，然后再利用天線輻射通信信息，但這種方式發(fā)射的無(wú)線通信信號(hào)，竊聽接收機(jī)在旁瓣中能夠接收信號(hào)包含的信息與主瓣期望接收信號(hào)相同，唯一的不同之處在于接收信號(hào)的信噪比不同。如果竊聽接收機(jī)足夠靈敏，可以從接收信號(hào)中解調(diào)出有用的通信信息。

針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，文獻(xiàn)[114]提出一種基于相控陣的方向調(diào)制技術(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了這種基于相控陣的物理層安全通信系統(tǒng)[115]。圖9給出了基于相控陣方向調(diào)制信號(hào)的發(fā)射機(jī)與傳統(tǒng)發(fā)射機(jī)對(duì)比示意圖。以這種方式發(fā)射的調(diào)制信號(hào)在期望方向發(fā)射信號(hào)的信號(hào)星座圖與傳統(tǒng)的基帶調(diào)制信號(hào)相同，而在其它方位發(fā)射信號(hào)的星座點(diǎn)在相位和幅度上會(huì)產(chǎn)生畸變。期望接收機(jī)可以像解調(diào)基帶調(diào)制信號(hào)一樣解調(diào)接收信號(hào)，而竊聽接收機(jī)即使接收到與期望接收機(jī)相似的通信信號(hào)功率，也無(wú)法從正常解調(diào)接收信號(hào)，因?yàn)榛兊男盘?hào)星座圖會(huì)導(dǎo)致通信誤碼性能惡化甚至無(wú)法解調(diào)出有用的通信信息。這種定向調(diào)制技術(shù)在射頻端完成基帶調(diào)制功能，使發(fā)射信號(hào)的星座圖依賴于接收機(jī)所在的空間方位。如果將這種定向調(diào)制技術(shù)中的相控陣替換成頻控陣，再利用頻控陣距離依賴性波束形成技術(shù)，則有望實(shí)現(xiàn)有效的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)定向安全通信，這在軍事通信中具有重要應(yīng)用潛力[91]。

5 頻控陣?yán)走_(dá)中亟待解決的問(wèn)題

作為一種新體制雷達(dá)技術(shù)，頻控陣?yán)走_(dá)也面臨許多亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，這里我們只討論其在陣列信號(hào)處理方面存在的問(wèn)題。

5.1 頻控陣?yán)走_(dá)波形優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題

為了解決頻控陣發(fā)射波束存在的距離-方位角耦合問(wèn)題，有必要構(gòu)建基于頻控陣和MIMO混合陣列的雷達(dá)系統(tǒng)。將頻控陣劃分為多個(gè)子陣，每個(gè)子陣內(nèi)的所有陣元發(fā)射類似相控陣的相同信號(hào)，而子陣間則發(fā)射類似MIMO的獨(dú)立信號(hào)[116]。這就要求子陣間發(fā)射的獨(dú)立信號(hào)具有良好的正交性，并要求滿足常規(guī)雷達(dá)對(duì)波形的基本要求，即大時(shí)間-帶寬積和恒包絡(luò)。雖然MIMO雷達(dá)波形設(shè)計(jì)已經(jīng)受到廣泛關(guān)注，但大多文獻(xiàn)主要是從統(tǒng)計(jì)信號(hào)處理角度進(jìn)行波形設(shè)計(jì)考慮的，難以工程實(shí)現(xiàn)。而且，這些波形還應(yīng)該具有大時(shí)間-帶寬積和盡可能好的恒包絡(luò)特性，以便既能實(shí)現(xiàn)高探測(cè)分辨率，又不需要太大的峰值發(fā)射功率，但現(xiàn)有文獻(xiàn)往往沒有考慮波形的時(shí)間-帶寬積問(wèn)題。當(dāng)然，還應(yīng)具有良好的模糊函數(shù)特性(包括距離向和多普勒分辨力)、較強(qiáng)的鄰帶干擾抑制性能和較低的匹配濾波旁瓣。由于這些苛刻要求，目前可用于MIMO雷達(dá)的波形設(shè)計(jì)方法很少，所以針對(duì)射頻隱身背景的大時(shí)間-帶寬積LPI波形的自適應(yīng)設(shè)計(jì)將極具挑戰(zhàn)性，但該研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。此外，和相控陣一樣，當(dāng)發(fā)射通道的串?dāng)_較大時(shí)，也需要相應(yīng)的補(bǔ)充處理，但目前還沒有關(guān)于該問(wèn)題的頻控陣文獻(xiàn)發(fā)表。

5.2 頻控陣發(fā)射與接收波束形成問(wèn)題

需要充分挖掘頻控陣相對(duì)相控陣的優(yōu)缺點(diǎn)，研究具有距離和方位角依賴的射頻隱身發(fā)射與接收波束形成方法。通過(guò)結(jié)合頻控陣的陣列參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)和2維(距離維和方位角維)發(fā)射波束形成，實(shí)現(xiàn)發(fā)射波束的信號(hào)能量可以靈活地集中到感興趣的探測(cè)區(qū)域。例如，可以借鑒無(wú)線通信中的擴(kuò)頻技術(shù)，通過(guò)展寬發(fā)射波束寬度降低其發(fā)射信號(hào)的峰值功率，從而降低雷達(dá)被截獲概率，然后在接收端中采用相干解調(diào)方式綜合恢復(fù)出高增益的等效發(fā)射波束，保證雷達(dá)的探測(cè)性能不受影響。同時(shí)，再通過(guò)基于環(huán)境感知的閉環(huán)反饋控制機(jī)制，實(shí)現(xiàn)這種射頻隱身發(fā)射

圖9 定向調(diào)制技術(shù)和傳統(tǒng)調(diào)制技術(shù)的比較

圖10 當(dāng)期望通信接收機(jī)位于時(shí)經(jīng)定向調(diào)制后的陣列方向圖

與接收波束形成算法的自適應(yīng)處理，但需要解決能夠?qū)崿F(xiàn)定點(diǎn)射頻隱身的陣列參數(shù)優(yōu)化配置、陣列方向圖綜合和超低旁瓣設(shè)計(jì)及其自適應(yīng)實(shí)現(xiàn)等技術(shù)難題。

5.3 頻控陣?yán)走_(dá)的自適應(yīng)目標(biāo)檢測(cè)與跟蹤問(wèn)題

現(xiàn)有關(guān)于自適應(yīng)雷達(dá)和認(rèn)知雷達(dá)的文獻(xiàn)往往都是采用單天線或相控陣作接收機(jī)?；谙嗫仃嚨慕邮詹ㄊ纬煞椒ㄖ荒芴峁┠繕?biāo)的方位角信息，而沒有目標(biāo)的到達(dá)距離信息。雖然頻控陣發(fā)射波束能夠提供目標(biāo)距離信息，但其距離和方位角響應(yīng)存在耦合問(wèn)題，不能無(wú)模糊地進(jìn)行目標(biāo)定位。為此，需要研究有效的頻控陣?yán)走_(dá)接收波束形成方法，從而實(shí)現(xiàn)感興趣探測(cè)區(qū)域目標(biāo)的距離和方位角聯(lián)合估計(jì)，進(jìn)而還可利用認(rèn)知雷達(dá)技術(shù)，并通過(guò)基于環(huán)境感知的閉環(huán)反饋控制機(jī)制，實(shí)現(xiàn)面向環(huán)境認(rèn)知的自適應(yīng)目標(biāo)檢測(cè)與跟蹤，構(gòu)建全自適應(yīng)的頻控陣?yán)走_(dá)理論框架，但在協(xié)方差矩陣估計(jì)、雷達(dá)目標(biāo)自適應(yīng)檢測(cè)與跟蹤和環(huán)境認(rèn)知處理方面存在許多待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。尤其需要指出的是：頻控陣方向圖隨時(shí)間變化會(huì)增加噪聲與干擾協(xié)方差矩陣估計(jì)的難度，這就會(huì)給頻控陣?yán)走_(dá)接收信號(hào)自適應(yīng)處理帶來(lái)新的研究問(wèn)題。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文系統(tǒng)地介紹頻控陣?yán)走_(dá)的概念、原理和應(yīng)用特點(diǎn)，全面梳理國(guó)內(nèi)外關(guān)于頻控陣?yán)走_(dá)技術(shù)的研究文獻(xiàn)，系統(tǒng)性地總結(jié)歸納頻控陣概念、基本原理、實(shí)現(xiàn)方式及其雷達(dá)應(yīng)用等幾個(gè)方面的研究現(xiàn)狀，分析了頻控陣?yán)走_(dá)在新體制雙基地雷達(dá)、認(rèn)知雷達(dá)、射頻隱身雷達(dá)和定向安全通信等方面的應(yīng)用前景，并討論了頻控陣?yán)走_(dá)在波形優(yōu)化設(shè)計(jì)、發(fā)射與接收波束形成和自適應(yīng)目標(biāo)檢測(cè)與跟蹤等方面亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。頻控陣?yán)走_(dá)是相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)的擴(kuò)展，它不僅具有相控陣?yán)走_(dá)的全部?jī)?yōu)點(diǎn)，而且能夠彌補(bǔ)相控陣?yán)走_(dá)波束指向不具有距離依賴性的缺點(diǎn)。因此，雖然頻控陣?yán)走_(dá)面臨許多亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)難題，我們相信對(duì)頻控陣?yán)走_(dá)進(jìn)行進(jìn)一步的深入研究是值得的。

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王文欽： 男，1979年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楝F(xiàn)代信號(hào)處理及其應(yīng)用研究.

邵懷宗： 男，1969年生，副教授，研究方向?yàn)橥ㄐ判盘?hào)處理.

陳 慧： 女，1984年生，講師，研究方向?yàn)橄∈栊盘?hào)處理.

Foundation Items: The National Natural Science Foundation of China (61501781, 61471103), Sichuan Provincial Technology Research and Development Fund (2015GZ0211, 2014GZ0015)

Frequency Diverse Array Radar: Concept, Principle and Application

WANG Wenqin SHAO Huaizong CHEN Hui

(School of Communication and Information Engineering, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 611731, China)

Frequency Diverse Array (FDA) radar is a new radar technique proposed in recent years. FDA uses a small frequency increments across its array elements to provide a range-dependent transmit beampattern, which overcomes the disadvantages of a phased-array providing range-independent beampattern, and offers many promising advantages for radar applications. This paper introduces the concepts, principles and application characteristics of FDA radar, makes an overview of recent FDA radar literature, and discusses FDA radar promising applications, along with existing technical challenges.

Frequency Diverse Array (FDA); FDA radar; Array design; Phased-array; New radar scheme

TN958

A

1009-5896(2016)04-1000-12

10.11999/JEIT151235

2015-07-28；改回日期：2015-11-27；網(wǎng)絡(luò)出版：2016-02-19

王文欽 wqwang@uestc.edu.cn

國(guó)家自然科學(xué)基金(61501781, 61471103)，四川省科技支撐項(xiàng)目(2015GZ0211, 2014GZ0015)